Nella sismologia tradizionale, ricercatori che studiano come si muove la terra nei momenti precedenti, durante, e dopo un terremoto si affidano a sensori che costano decine di migliaia di dollari per realizzarli e installarli nel sottosuolo. E a causa della spesa e del lavoro coinvolti, solo pochi sensori sismici sono stati installati in aree remote della California, rendendo difficile la comprensione degli impatti di futuri terremoti e di piccoli terremoti che si verificheranno su faglie non mappate.

Ora i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno trovato un modo per superare questi ostacoli trasformando parti di un 13, banco di prova lungo 000 miglia di "fibra scura, " cavo in fibra ottica inutilizzato di proprietà del DOE Energy Sciences Network (ESnet), in un sensore di attività sismica altamente sensibile che potrebbe potenzialmente aumentare le prestazioni dei sistemi di allerta precoce dei terremoti attualmente in fase di sviluppo negli Stati Uniti occidentali. Lo studio che descrive in dettaglio il lavoro, il primo ad impiegare una vasta rete regionale come sensore di terremoti, è stato pubblicato questa settimana su Nature's Rapporti scientifici .

Scuotere la sismologia con la fibra oscura

Secondo Jonathan Ajo-Franklin, uno scienziato del personale dell'area di scienze della terra e dell'ambiente del Berkeley Lab che ha guidato lo studio, ci sono circa 10 milioni di chilometri di cavo in fibra ottica nel mondo, e circa il 10 percento è costituito da fibra scura.

Il gruppo Ajo-Franklin sta lavorando a questo tipo di esperimento da diversi anni. In uno studio del 2017, hanno installato un cavo in fibra ottica in una fossa poco profonda a Richmond, California, e ha dimostrato che una nuova tecnologia di rilevamento chiamata rilevamento acustico distribuito (DAS) potrebbe essere utilizzata per l'imaging del sottosuolo poco profondo. DAS è una tecnologia che misura i campi d'onda sismici sparando brevi impulsi laser lungo la fibra. In uno studio di follow-up, essi e un gruppo di collaboratori hanno dimostrato per la prima volta che i cavi in ​​fibra ottica possono essere utilizzati come sensori per rilevare i terremoti.

Il presente studio utilizza la stessa tecnica DAS, ma invece di distribuire il proprio cavo in fibra ottica, i ricercatori hanno condotto i loro esperimenti su un segmento di 20 miglia del 13, Banco di prova per fibre scure ESnet lungo 000 miglia che si estende da West Sacramento a Woodland, California. "Per verificare ulteriormente i nostri risultati dello studio del 2017, sapevamo che avremmo dovuto eseguire i test DAS su una vera rete in fibra spenta, " disse Ajo-Franklin, che dirige anche il dipartimento di geofisica del Berkeley Lab.

"Quando Jonathan mi ha chiesto di utilizzare il nostro banco di prova per fibre scure, Non sapevo nemmeno che fosse possibile" usare una rete come sensore, disse Inder Monga, Direttore Esecutivo di ESnet e Direttore della Divisione Reti Scientifiche presso Berkeley Lab. "Nessuno aveva fatto questo lavoro prima. Ma le possibilità erano enormi, così ho detto, 'Sicuro, facciamolo!"

Chris Tracy di ESnet ha lavorato a stretto contatto con i ricercatori per capire la logistica dell'implementazione. La società di telecomunicazioni CenturyLink ha fornito informazioni sull'installazione della fibra.

Poiché ESnet Testbed ha una copertura regionale, i ricercatori sono stati in grado di monitorare l'attività sismica e il rumore ambientale con dettagli più precisi rispetto agli studi precedenti.

"La copertura dell'ESnet Dark Fiber Testbed ci ha fornito immagini del sottosuolo con una risoluzione più elevata e una scala più ampia di quanto sarebbe stato possibile con una rete di sensori tradizionale, " ha detto la co-autrice Verónica Rodríguez Tribaldos, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Ajo-Franklin. "Le reti sismiche convenzionali spesso impiegano solo poche dozzine di sensori distanziati di diversi chilometri per coprire un'area così ampia, ma con ESnet Testbed e DAS, abbiamo 10, 000 sensori in linea con una distanza di due metri. Ciò significa che con un solo cavo in fibra ottica è possibile raccogliere informazioni molto dettagliate sulla struttura del suolo per diversi mesi".

Scavando in profondità per i dati sotterranei

Dopo sette mesi di utilizzo di DAS per registrare i dati tramite ESnet Dark Fiber Testbed, i ricercatori hanno dimostrato che i vantaggi dell'utilizzo di una fibra commerciale sono molteplici. "Solo ascoltando per 40 minuti, questa tecnologia ha il potenziale per fare circa 10 cose diverse contemporaneamente. Siamo stati in grado di rilevare onde a frequenza molto bassa da terremoti lontani e frequenze più alte generate da veicoli vicini, " ha affermato Ajo-Franklin. La tecnologia ha permesso ai ricercatori di distinguere tra un'auto o un treno in movimento rispetto a un terremoto, e per rilevare terremoti sia locali che lontani, da Berkeley a Gilroy al Chiapas, Messico. La tecnologia può essere utilizzata anche per caratterizzare la qualità del suolo, fornire informazioni sugli acquiferi, ed essere integrato negli studi geotecnici, Ha aggiunto.

Con un quadro così dettagliato del sottosuolo, la tecnologia ha il potenziale per l'uso in studi time-lapse delle proprietà del suolo, disse Rodríguez Tribaldos. Per esempio, nel monitoraggio ambientale, questo strumento potrebbe essere utilizzato per rilevare i cambiamenti a lungo termine delle acque sotterranee, lo scioglimento del permafrost, o i cambiamenti idrologici coinvolti nei pericoli di frana.

I risultati dello studio attuale suggeriscono anche che i ricercatori potrebbero non dover più scegliere tra qualità dei dati e costi. "I sensori dei cellulari sono economici e ci dicono quando si verifica un grande terremoto nelle vicinanze, ma non potranno registrare le sottili vibrazioni del pianeta, " ha detto il co-autore Nate Lindsey, uno studente laureato alla UC Berkeley che ha guidato il lavoro sul campo e l'analisi dei terremoti per lo studio del 2017. "In questo studio, abbiamo dimostrato che le fibre ottiche economiche rilevano quei piccoli movimenti del suolo con una qualità sorprendente".

Con 300 terabyte di dati grezzi raccolti per lo studio, i ricercatori sono stati sfidati a trovare modi per gestire ed elaborare efficacemente la "manichetta antincendio" delle informazioni sismiche. Ajo-Franklin ha espresso la speranza di costruire un giorno un portale di dati sismologici che abbini ESnet come sensore e meccanismo di trasferimento dei dati, con analisi e archiviazione dei dati a lungo termine gestita dalla struttura di supercalcolo di Berkeley Lab, NERSC (Centro di Calcolo Scientifico Nazionale di Ricerca Energetica).

Monga added that even though the Dark Fiber Testbed will soon be lit for the next generation of ESnet, dubbed "ESnet 6, " there may be sections that could be used for seismology. "Although it was completely unexpected that ESnet—a transatlantic network dedicated for research—could be used as a seismic sensor, it fits perfectly within our mission, " he said. "At ESnet, we want to enable scientific discovery unconstrained by geography."